中国工业电器网-电子元器件频道 2014-12-11 我要投稿>
LED照明市场爆发中的节能技术瓶颈分析

权威数据预测,到2020年全球照明市场规模将超过1500亿美元,较2010年的1340亿美元增长11.9%。虽然整体规模增长不大,但是照明产品结构会发生明显变化。

  随着人们环保意识的日益增强,LED作为新一代照明技术,成为全社会关注的焦点。在价格不断下跌,以及发光效率与寿命不断提升的双重因素推动下,加上具备省电、节能以及环保的优势,LED照明迎来了市场爆发的时点。然而,技术的自主研发是我国产业长期存在的劣势,在研判市场趋势的同时,分析LED照明产品生产中关键设备和重要材料尚存的诸多技术瓶颈,对产业发展具有很好的参考意义。

  1、替换潮大幕开启

  权威数据预测,到2020年全球照明市场规模将超过1500亿美元,较2010年的1340亿美元增长11.9%。虽然整体规模增长不大,但是照明产品结构会发生明显变化。其中,LED照明市场份额将由2010年的50亿美元左右增加到750亿美元,即10年将扩张15倍。2014年,LEDinside预计全球LED照明产品出货量将增长68%,产值达178亿美元。

  另据台湾拓扑产业研究所的数据,目前全球LED照明的渗透率仅为 10%,到2015年或最迟2020年,渗透率将达到50%,也就是说,未来几年间,LED照明器件将大量替换传统照明装置。图1所示为近几年全球LED 照明市场的渗透率趋势。

  从2014年起,欧美国家开始逐步淘汰民用市场用量最大的40~60W白炽灯泡,为LED照明产品的普及提供了有利的契机。这也将刺激全球LED照明厂商加快布局LED照明的步伐,进一步推升全球LED照明渗透率。美国政府对于LED照明的扶持力度正在逐渐加大,能源之星等灯具补贴数量增长迅速,促使LED灯具价格进一步降低。

  CREE等厂商纷纷看好2014年LED照明市场发展,并预期替换性灯具的销量增长将成为接下来的业务增长重点。在市场相对成熟的欧洲,虽然并未见到大规模的补贴政策,但是其高昂的电价以及光文化的差异,使得商用照明与户外建筑情境照明应用持续存在需求。而未来几年随着白炽灯泡全面禁止政策的影响发酵,预估市场将继续呈现稳定增长态势。

  作为LED领域的产业强国,日本在推动世界LED产业发展的过程中也发挥了十分重要的作用。早在十多年前,日本已开始实施推动半导体照明技术发展及产业化的“21世纪光计划”,是世界上最早启动扶持LED产业政策的国家之一。

  近年来,在日本政府的大力扶持下,LED照明产业成长迅速。同时日本国内节能意识高涨,尤其之前发生东日本大地震后,政府更提出“低碳素社会”(节能减碳)的目标。其中LED照明产品飞速普及,成为节能产品代表。

  此外,在LED新兴市场如巴西、印度、越南、俄罗斯等国家和地区,也相继出台了各种规划和草案,扶持LED照明产业的发展。这些地区对于LED照明产品的需求呈明显上升趋势,LED照明市场正在快速增长,尤其是在LED公共照明和商用照明市场表现更为明显。

  多种数据表明,未来1~3年内LED照明将完成从15%~60%的渗透,大量的LED照明市场需求将被释放出来。有力的扶持政策将直接带动LED照明市场的快速成长。

  2、技术瓶颈亟待突破

  LED发光效率虽然不断提升,但仍存在电光转换效率低、散热性能差、暖白光LED照明的显色指数和色温控制较难等亟待解决的问题,这些都已成为现阶段制约LED照明行业发展的瓶颈。

  LED产业链下游的产出要以上游材料为基础,但因材料本身的显示度不明显,人们对材料的关注很容易被弱化,造成对基础材料研究重视不够,以致虽有投入但支持力度不够,难以吸引相关人才,导致材料成为发展瓶颈。目前LED产业仍是以50mm(2吋)或100mm(4吋)的蓝宝石基板为基础,若能利用大直径的硅基板氮化镓(GaN-on-Si)技术,便有可能充分发挥现有硅晶生态系统的完备技术与规模经济效益,达到降低整体LED成本的目标。

  若比较现行 150mm(6吋)蓝宝石基板和运用AZZURRO专利GaN-on-Si技术的150mm(6吋)晶圆,可达到超过75%原料的成本节省。虽然GaN-on-Si具显著的成本优势,但由于技术上的难度,因此一直未能在LED业界广泛应用。问题主要是由于硅基板和GaN的热膨胀系数不同,在制程中会因为两种材质间的晶格错位而产生应力,进而形成曲度(bow)和薄膜厚度不均的问题。曲度和薄膜厚度不均不仅会在后段加工时可能产生破裂,同时也会造成同一片晶圆上制作出的LED具不同的峰值波长(peakwavelength),增加了日后分选(binning)的困扰。

  根据AZZURRO于2011年第2季完成的150mm(6吋)GaN-on-Si晶圆来看,已可达到平均厚度6.1μm、标准偏差0.062μm,以及平均峰值波长451.9nm、标准偏差2.1nm的水平。研制设备是LED照明器件发展的另一个基础保障。MOCVD系统是LED外延片、微波功率的异质结构材料生产的必需设备,随着化合物半导体器件市场的不断扩大,MOCVD系统的需求量不断增长,而我国几乎全部依赖进口。

  国际上主要的MOCVD设备供应商有德国AIXTRON公司和美国VEECO公司,这两家公司对单台MOCVD设备的报价高达2000万元人民币,即便如此,MOCVD系统这样的关键设备,如果涉及国防科技,即使依靠进口也难以获得最优性能。

  LED封装技术的发展,始终围绕提升散热效率以及缩减终端使用成本这样的主题。新封装材料的使用、新封装规格的形成、新封装工艺的出现,均是为了在保证质量水平的前提下,降低单位流明成本。从全球市场来看,中国LED封装厂商份额提升面临的主要挑战仍然是技术。2013年,行业出现EMC支架封装、FlipChip以及晶圆级封装(CSP)等新兴技术。

  如今,知识产权已成为LED企业竞争的战略性武器。先进入市场的LED企业为确保先发优势积极布局专利网,将知识产权作为战略性武器以保持领先优势,阻击后发企业进入LED市场。因此,LED照明市场的发展还面临知识产权危机。近10年来,半导体照明市场快速增长,LED知识产权成为国际半导体照明产业竞争的焦点。纵观全球LED知识产权格局,产业的核心专利仍由日本的日亚化学公司、丰田合成公司、美国科锐公司、飞利浦流明公司及德国的欧司朗公司等5大厂商主导。

  虽然近些年我国大陆地区LED专利申请数量大幅增长,但我国在全球LED知识产权格局中的地位并没有因此得到根本改善。我国LED专利主要集中于中下游领域,中游封装、下游应用环节的专利占申请总量的64%。在关系到产业长远发展的关键技术环节,仍缺乏核心专利。从专利类型上看,我国 LED专利以实用新型及外观设计专利为主,发明型专利占比较低,其中国内LED实用型专利占比为59%,外观设计专利占比为15%,而LED发明专利占比仅为26%。

  3、结束语

  LED照明是一个成长快速的市场,市场规模迅速攀升,但仍面临诸多技术难题等待突破,比如科研人员和LED生产商一直致力于减小LED“光效下降”带来的损失,但并未解决导致该现象背后的真正原因。

  据调研机构ledinside预测,2014年中国LED照明产品出货量将达13.2亿只,比2013年增长68%。尽管照明端需求出现持续增长,但是中国的LED却存在核心技术缺乏以及整体产能过剩的状况。我国LED产业链中的主要设备、仪器,目前大部分靠进口。

  关键原材料、配套件,如荧光粉、蓝宝石、有机源、砷烷、磷烷等要依靠进口,MOCVD外延设备及部分全自动化的芯片和封装设备也依赖进口,而且价位高。封装用的高性能硅胶、环氧材料等也要依靠进口。长期下去,使得产品成本过高,不具竞争力,将制约LED产业发展的全过程。因此,尽快实现关键原材料及设备自给是未来发展的核心。

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